Dotyczy to zarówno istniejących już związków, jak i związków, których jeszcze dotąd nie otrzymano.

Transkrypt

1 Chemia teoretyczna to dział chemii zaliczany do chemii fizycznej, zajmujący się zagadnieniami związanymi z wiedzą chemiczną od strony teoretycznej, tj. bez wykonywania eksperymentów na stole laboratoryjnym. Nie znaczy to jednak, że chemia teoretyczna ignoruje wyniki eksperymentalne - zazwyczaj stara się, z lepszym lub gorszym skutkiem, wyjaśniać te wyniki i przewidywać efekty przyszłych eksperymentów.

2 W szczególności chemia teoretyczna zajmuje się : modelowaniem cząsteczek czyli teoretycznym obliczaniem ich struktury elektronowej i przestrzennej, przewidywaniem przebiegu reakcji chemicznych i teoretycznym obliczaniem ich efektów energetycznych, ustalaniem czy i w jakich warunkach może zajść dana reakcja chemiczna, przewidywaniem właściwości chemicznych i fizycznych oraz aktywności biologicznej i katalitycznej związków chemicznych na podstawie ich struktury Dotyczy to zarówno istniejących już związków, jak i związków, których jeszcze dotąd nie otrzymano. Podstawą tych działań są: chemia kwantowa, chemia obliczeniowa, termodynamika kinetyka reakcji chemicznych

3 TEORIA to usystematyzowana wiedza wyjaśniająca daną dziedzinę rzeczywistości. W przypadku nauk przyrodniczych teorie są tworzone w celu: systematyzowania i racjonalizowania faktów, wyjaśniania powodów ich występowania, przewidywania przyszłych zdarzeń oraz budowy nowych systemów, urządzeń lub broni Ilościowe związki wypływające z teorii pozwalają na testowanie teorii poprzez eksperyment. Obecnie nie istnieje ogólna teoria wszystkiego. Każda teoria ma swoje ograniczenia, np. mechanika klasyczna może być stosowana tylko do układów makroskopowych, teoria Newtona jedynie do opisu ciał poruszających się z prędkością dużo mniejszą od prędkości światła, itd.

4 Teorie, które przetrwały wiele lat nazywamy prawami, np. prawo Coulomba q1q2 E r E energia oddziaływania między dwoma ładunkami punktowymi r 12 - odległość między ładunkami podatność elektryczna ośrodka Chcemy aby Teoria była jak najbardziej ogólna (bez względu na konsekwencje) np. teoria kwantowa jest ogólna ale równania tej teorii są możliwe do rozwiązania tylko dla układów idealnych. MODEL zwiera zwykle celowo wprowadzone przybliżenia, które dają nam możliwość jego praktycznego wykorzystania. Model często zawiera parametry empiryczne OBLICZENIA KOMPUTEROWE zastosowanie technologii cyfrowej do rozwiązywania równań matematycznych zdefiniowanych w konkretnej teorii czy modelu. teoria modelowanie molekularne chemia komputerowa 12 q 1, q 2

5 program wykładów 1. Postulaty i podstawowe pojęcia mechaniki kwantowej. Eksperymentalne podstawy teorii kwantów. Zasada de Broglie a. Pojęcie funkcji falowej, równania własne i wartości własne operatorów, zasada nieoznaczoności, równanie Schrödingera zawierające czas, stany stacjonarne i równanie Schrödingera nie zawierające czasu, postulat o wartości średniej. 2. Proste zastosowania mechaniki kwantowej. Cząstka swobodna, cząstka w pudle potencjału, bariera potencjału, efekt tunelowy, oscylator harmoniczny. 3. Ruch cząstki w polu sił centralnych - atom wodoru. 4. Przybliżone metody obliczeń w chemii kwantowej. Metoda wariacyjna, liniowa metoda wariacyjna (metoda Ritza), metoda zaburzeń. 5. Układy wieloelektronowe. Nierozróżnialność cząstek a symetria funkcji falowej, fermiony i bozony, spin cząstki, przybliżenie jednoelektronowe, wyznacznik Slatera. Konfiguracje elektronowe atomów.

6 6. Wprowadzenie do struktury cząsteczek. Teoria orbitali molekularnych (LCAO MO), zastosowanie do prostych cząsteczek, jon H 2 + i cząsteczki dwuatomowe homojądrowe, cząsteczki wieloatomowe. 7. Omówienie metod typu ab initio. Metoda Hartree-Focka, energia korelacji w systemach wieloelektronowych i metody, które uwzględniają energię korelacji metoda oddziaływania konfiguracji (CI) i metoda sprzężonych klasterów (CC). 8. Zasady tworzenia orbitali molekularnych w metodzie LCAO MO, bazy STO i GTO, nomenklatura baz funkcyjnych. 9. Teoria funkcjonałów gęstości (DFT). Równania Kohna-Shama. Lokalne i nielokalne wersje DFT, opis najbardziej popularnych funkcjonałów. 10. Omówienie metod półempirycznych, zakres stosowalności różnych metod półempirycznych.

7 11. Oddziaływania międzyatomowe i międzycząsteczkowe, włącznie z wiązaniami wodorowymi. 12. Mechanika Molekularna. Pojęcie pola siłowego. Omówienie najbardziej znanych pól siłowych: MM+, BIO+, AMBER ze wskazaniem problemów do których przystosowane są poszczególne pola siłowe. Optymalizacja struktury geometrycznej cząsteczek. 13. Modelowanie układów złożonych ze znacznej liczby cząsteczek. Metoda Dynamiki Molekularnej, Metoda Monte Carlo, Metoda Dynamiki Stochastycznej. Omówienie podstawowych założeń tych metod. Pojęcie periodycznych warunków brzegowych. Wyniki obliczeń i ich analiza. 14. Elementy termodynamiki statystycznej w zastosowaniu do interpretacji własności kryształów i układów gazowych. Termodynamika i kinetyka reakcji chemicznych na gruncie chemii kwantowej. 15. Krótkie wprowadzenie do teorii grup.

8 Wykład ma na celu przekazanie podstaw nowoczesnych metod obliczeniowych chemii kwantowej, mechaniki i dynamiki molekularnej oraz termodynamiki statystycznej w zastosowaniu do opisu cząsteczek i procesów chemicznych. Wykład powinien dostarczyć przygotowania teoretycznego do prac obliczeniowych z zakresu modelowania molekularnego. Hemaglutinina model

9 Literatura 1. Lucjan Piela, Idee chemii kwantowej, PWN, Warszawa, Włodzimierz Kołos, Joanna Sadlej, Atom i cząsteczka, WNT, Warszawa, Henryk Buchowski, Elementy termodynamiki statystycznej, Warszawa, WNT, Dieter W. Heermann, Podstawy symulacji komputerowych w fizyce, WNT, Warszawa, Manuale programów komputerowych ( A dla uzupełnienia: 1. Andrew R. Leach, Molecuar Modelling. Principles and Applications, Longman, Christopher J. Cramer, Essentials of Computational Chemistry, Theories and Models, Willey, Erich Steiner, Matematyka dla chemików, Warszawa, PWN, 2001.

10 Forma zaliczenia Egzamin (pisemny + rozmowa) z materiału wykładu. Kolokwium z materiału ćwiczeń audytoryjnych. Dwa kolokwia praktyczne przy komputerze w czasie ćwiczeń laboratoryjnych. Pisemne raporty z wybranych projektów obliczeniowych. Ostateczna ocena wynika w 50 % z oceny z egzaminu, w 20 % z oceny z ćwiczeń i w 30 % z oceny z laboratorium. Pisemne raporty muszą być zaakceptowane przez prowadzącego zajęcia.

11 Efekty kształcenia 1. Opisać różne metody chemii kwantowej, porównać je ze sobą i określić zakres stosowalności każdej z nich 2. Zastosować metody chemii obliczeniowej do badania struktury i energetyki molekularnej, 3. Zastosować metody chemii obliczeniowej do ilościowego opisu prostych reakcji chemicznych (stany przejściowe, efekty termiczne, charakterystyki spektralne), 4. Opisać typowe metody mechaniki molekularnej i dynamiki molekularnej oraz zastosować je do określenia właściwości i zachowania się pojedynczych cząsteczek oraz układów makroskopowych w różnych stanach skupienia, 5. Wyjaśnić związek między właściwościami cząsteczek a makroskopowymi właściwościami termodynamicznymi, 6. Wykorzystać wybrane programy komercyjne do obliczeń z zakresu chemii teoretycznej oraz poprawnie zinterpretować uzyskane wyniki, 7. Współpracować w grupie,

12 Serwer /mhilczer katalog: Chemia Teoretyczna mój adres gdzie mnie szukać? MITR, ul. Wróblewskiego 15 pokój 308

13 Chemia teoretyczna Zajęcia Wykład poniedziałek : 8:15 10:00 MITR sala 226 Ćwiczenia audytoryjne poniedziałek: 10:15 11:00 MITR sala 226 Laboratorium Chemia analityczna i strukturalna grupa 1: poniedziałek: 11:20 12:50 Radiochemia grupa 2: poniedziałek: 12:50 14:30 Radiochemia Nowoczesna synteza i analiza organiczna + ITS czwartek: 10:15 12:00 BCH sala1 13